Белки. Их строение, функции, свойства

Белки. Их строение, функции, свойства

ÁÅËÊÈ́, âûñîêîìîëåêóëÿðíûå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, áèîïîëèìåðû, ïîñòðîåííûå èç 20 âèäîâ L-a-àìèíîêèñëîòíûõ îñòàòêîâ, ñîåäèíåííûõ â îïðåäåëåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè â äëèííûå öåïè. Ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà áåëêîâ âàðüèðóåòñÿ îò 5 òûñ. äî 1 ìëí. Íàçâàíèå «áåëêè» âïåðâûå áûëî äàíî âåùåñòâó ïòè÷üèõ ÿèö, ñâåðòûâàþùåìóñÿ ïðè íàãðåâàíèè â áåëóþ íåðàñòâîðèìóþ ìàññó. Ïîçäíåå ýòîò òåðìèí áûë ðàñïðîñòðàíåí íà äðóãèå âåùåñòâà ñ ïîäîáíûìè ñâîéñòâàìè, âûäåëåííûå èç æèâîòíûõ è ðàñòåíèé. Áåëêè ïðåîáëàäàþò íàä âñåìè äðóãèìè ïðèñóòñòâóþùèìè â æèâûõ îðãàíèçìàõ ñîåäèíåíèÿìè, ñîñòàâëÿÿ, êàê ïðàâèëî, áîëåå ïîëîâèíû èõ ñóõîãî âåñà. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî â ïðèðîäå ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ìèëëèàðäîâ èíäèâèäóàëüíûõ áåëêîâ (íàïðèìåð, òîëüêî â áàêòåðèè êèøå÷íîé ïàëî÷êè ïðèñóòñòâóåò áîëåå 3 òûñ. ðàçëè÷íûõ áåëêîâ). Áåëêè èãðàþò êëþ÷åâóþ ðîëü â ïðîöåññàõ æèçíåäåÿòåëüíîñòè ëþáîãî îðãàíèçìà. Ê ÷èñëó áåëêîâ îòíîñÿòñÿ ôåðìåíòû, ïðè ó÷àñòèè êîòîðûõ ïðîòåêàþò âñå õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ â êëåòêå (îáìåí âåùåñòâ); îíè óïðàâëÿþò äåéñòâèåì ãåíîâ; ïðè èõ ó÷àñòèè ðåàëèçóåòñÿ äåéñòâèå ãîðìîíîâ, îñóùåñòâëÿåòñÿ òðàíñìåìáðàííûé òðàíñïîðò, â òîì ÷èñëå ãåíåðàöèÿ íåðâíûõ èìïóëüñîâ. Îíè ÿâëÿþòñÿ íåîòúåìëåìîé ÷àñòüþ èììóííîé ñèñòåìû (èììóíîãëîáóëèíû) è ñèñòåìû ñâåðòûâàíèÿ êðîâè, ñîñòàâëÿþò îñíîâó êîñòíîé è ñîåäèíèòåëüíîé òêàíè, ó÷àñòâóþò â ïðåîáðàçîâàíèè è óòèëèçàöèè ýíåðãèè.

Èñòîðèÿ èññëåäîâàíèÿ áåëêîâ

Ïåðâûå ïîïûòêè âûäåëèòü áåëêè áûëè ïðåäïðèíÿòû åùå â 18 âåêå. Ê íà÷àëó 19 âåêà ïîÿâëÿþòñÿ ïåðâûå ðàáîòû ïî õèìè÷åñêîìó èçó÷åíèþ áåëêîâ. Ôðàíöóçñêèå ó÷åíûå Æ.Ë. Ãåé-Ëþññàê è Ë.Æ. Òåíàð ïîïûòàëèñü óñòàíîâèòü ýëåìåíòíûé ñîñòàâ áåëêîâ èç ðàçíûõ èñòî÷íèêîâ, ÷òî ïîëîæèëî íà÷àëî ñèñòåìàòè÷åñêèì àíàëèòè÷åñêèì èññëåäîâàíèÿì, áëàãîäàðÿ êîòîðûì áûë ñäåëàí âûâîä î òîì, ÷òî âñå áåëêè ñõîäíû ïî íàáîðó ýëåìåíòîâ, âõîäÿùèõ â èõ ñîñòàâ.  1836 ãîëëàíäñêèé õèìèê Ã. ß. Ìóëüäåð ïðåäëîæèë ïåðâóþ òåîðèþ ñòðîåíèÿ áåëêîâûõ âåùåñòâ, ñîãëàñíî êîòîðîé âñå áåëêè èìåþò íåêèé ãèïîòåòè÷åñêèé ðàäèêàë (Ñ40H62N10O12), ñâÿçàííûé â ðàçëè÷íûõ ïðîïîðöèÿõ ñ àòîìàìè ñåðû è ôîñôîðà. Îí íàçâàë ýòîò ðàäèêàë «ïðîòåèíîì» (îò ãðå÷. protein — ïåðâûé, ãëàâíûé). Òåîðèÿ Ìóëüäåðà ñïîñîáñòâîâàëà óâåëè÷åíèþ èíòåðåñà ê èçó÷åíèþ áåëêîâ è ñîâåðøåíñòâîâàíèþ ìåòîäîâ áåëêîâîé õèìèè. Áûëè ðàçðàáîòàíû ïðèåìû âûäåëåíèÿ áåëêîâ ïóòåì ýêñòðàêöèè ðàñòâîðàìè íåéòðàëüíûõ ñîëåé, âïåðâûå áûëè ïîëó÷åíû áåëêè â êðèñòàëëè÷åñêîé ôîðìå (ãåìîãëîáèí, íåêîòîðûå áåëêè ðàñòåíèé). Äëÿ àíàëèçà áåëêîâ ñòàëè èñïîëüçîâàòü èõ ïðåäâàðèòåëüíîå ðàñùåïëåíèå ñ ïîìîùüþ êèñëîò è ùåëî÷åé.

Îäíîâðåìåííî âñå áîëüøåå âíèìàíèå ñòàëî óäåëÿòüñÿ èçó÷åíèþ ôóíêöèè áåëêîâ. É. ß. Áåðöåëèóñâ 1835 ïåðâûì âûñêàçàë ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî îíè èãðàþò ðîëü áèîêàòàëèçàòîðîâ. Âñêîðå áûëè îòêðûòû ïðîòåîëèòè÷åñêèå ôåðìåíòû— ïåïñèí (Ò. Øâàíí, 1836) è òðèïñèí (Ë. Êîðâèçàð, 1856), ÷òî ïðèâëåêëî âíèìàíèå ê ôèçèîëîãèè ïèùåâàðåíèÿè àíàëèçó ïðîäóêòîâ, îáðàçóþùèõñÿ â õîäå ðàñùåïëåíèÿ ïèùåâûõ âåùåñòâ. Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ñòðóêòóðû áåëêà, ðàáîòû ïî õèìè÷åñêîìó ñèíòåçó ïåïòèäîâ çàâåðøèëèñü ïîÿâëåíèåì ïåïòèäíîé ãèïîòåçû, ñîãëàñíî êîòîðîé âñå áåëêè ïîñòðîåíû èç àìèíîêèñëîò. Ê êîíöó 19 âåêà áûëî èçó÷åíî áîëüøèíñòâî àìèíîêèñëîò, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ áåëêîâ.  íà÷àëå 20 âåêà íåìåöêèé õèìèê Ý. Ã. Ôèøåð âïåðâûå ïðèìåíèë ìåòîäû îðãàíè÷åñêîé õèìèè äëÿ èçó÷åíèÿ áåëêîâ è äîêàçàë, ÷òî áåëêè ñîñòîÿò èç a-àìèíîêèñëîò, ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé àìèäíîé (ïåïòèäíîé) ñâÿçüþ. Ïîçæå, áëàãîäàðÿ èñïîëüçîâàíèþ ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ìåòîäîâ àíàëèçà, áûëà îïðåäåëåíà ìîëåêóëÿðíàÿ ìàññà ìíîãèõ áåëêîâ, óñòàíîâëåíà ñôåðè÷åñêàÿ ôîðìà ãëîáóëÿðíûõ áåëêîâ, ïðîâåäåí ðåíòãåíîñòðóêòóðíûé àíàëèç àìèíîêèñëîò è ïåïòèäîâ, ðàçðàáîòàíû ìåòîäû õðîìàòîãðàôè÷åñêîãî àíàëèçà (ñì. Õðîìàòîãðàôèÿ). Áûë âûäåëåí ïåðâûé áåëêîâûé ãîðìîí — èíñóëèí (Ô. Ã. Áàíòèíã, Äæ. Äæ. Ìàêëåîä, 1922), äîêàçàíî ïðèñóòñòâèå ãàììà -ãëîáóëèíîââ àíòèòåëàõ, îïèñàíà ôåðìåíòàòèâíàÿ ôóíêöèÿ ìûøå÷íîãî áåëêà ìèîçèíà (Â. À. Ýíãåëüãàðäò, Ì. Í. Ëþáèìîâà, 1939). Âïåðâûå â êðèñòàëëè÷åñêîì âèäå áûëè ïîëó÷åíû ôåðìåíòû — óðåàçà (Äæ. Á. Ñàëèíåð, 1926), ïåïñèí (Äæ. Õ. Íîðòðîí, 1929), ëèçîöèì (Ý. Ï. Àáðàõàì, Ð. Ðîáèíñîí, 1937).

 1950-õ ãã. áûëà äîêàçàíà òðåõóðîâíåâàÿ îðãàíèçàöèÿ áåëêîâûõ ìîëåêóë — íàëè÷èå ó íèõ ïåðâè÷íîé, âòîðè÷íîé è òðåòè÷íîé ñòðóêòóðû; ñîçäàåòñÿ àâòîìàòè÷åñêèé àíàëèçàòîð àìèíîêèñëîò (Ñ. Ìóð, Ó. Õ. Ñòàéí, 1950).  60-õ ãã. ïðåäïðèíèìàþòñÿ ïîïûòêè õèìè÷åñêîãî ñèíòåçà áåëêîâ (èíñóëèí, ðèáîíóêëåàçà). Ñóùåñòâåííî óñîâåðøåíñòâîâàëèñü ìåòîäû ðåíòãåíîñòðóêòóðíîãî àíàëèçà; áûë ñîçäàí ïðèáîð — ñåêâåíàòîð (Ï. Ýäìàí, Ã. Áýãã, 1967), ïîçâîëÿâøèé îïðåäåëÿòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü àìèíîêèñëîò â ïîëèïåïòèäíîé öåïè. Ñëåäñòâèåì ýòîãî ÿâèëîñü óñòàíîâëåíèå ñòðóêòóðû íåñêîëüêèõ ñîòåí áåëêîâ èç ñàìûõ ðàçíûõ èñòî÷íèêîâ. Ñðåäè íèõ ïðîòåîëèòè÷åñêèå ôåðìåíòû (ïåïñèí, òðèïñèí, õèìîòðèïñèí, ñóáòèëèçèí, êàðáîêñèïåïòèäàçû), ìèîãëîáèíû, ãåìîãëîáèíû, öèòîõðîìû, ëèçîöèìû, èììóíîãëîáóëèíû, ãèñòîíû, íåéðîòîêñèíû, áåëêè âèðóñíûõ îáîëî÷åê, áåëêîâî-ïåïòèäíûå ãîðìîíû (ñì. Ðåãóëÿòîðíûå ïåïòèäû).  ðåçóëüòàòå ïîÿâèëèñü ïðåäïîñûëêè äëÿ ðåøåíèÿ àêòóàëüíûõ ïðîáëåì ýíçèìîëîãèè, èììóíîëîãèè, ýíäîêðèíîëîãèè è äðóãèõ îáëàñòåé áèîëîãè÷åñêîé õèìèè.

 êîíöå 20 âåêà çíà÷èòåëüíûå óñïåõè áûëè äîñòèãíóòû â èçó÷åíèè ðîëè áåëêîâ â õîäå ìàòðè÷íîãî ñèíòåçà áèîïîëèìåðîâ, ïîíèìàíèÿ ìåõàíèçìîâ èõ äåéñòâèÿ â ðàçëè÷íûõ ïðîöåññàõ æèçíåäåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìîâ, óñòàíîâëåíèÿ ñâÿçè ìåæäó èõ ñòðóêòóðîé è ôóíêöèåé. Îãðîìíîå çíà÷åíèå ïðè ýòîì èìåëî ñîâåðøåíñòâîâàíèå ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ, ïîÿâëåíèå íîâûõ ñïîñîáîâ äëÿ ðàçäåëåíèÿ áåëêîâ è ïåïòèäîâ. Ðàçðàáîòêà ýôôåêòèâíîãî ìåòîäà àíàëèçà ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ðàñïîëîæåíèÿ íóêëåîòèäîââ íóêëåèíîâûõ êèñëîòàõ ïîçâîëèëà çíà÷èòåëüíî îáëåã÷èòü è óñêîðèòü îïðåäåëåíèå àìèíîêèñëîòíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè â áåëêàõ. Ýòî îêàçàëîñü âîçìîæíûì ïîòîìó, ÷òî ïîðÿäîê ðàñïîëîæåíèÿ àìèíîêèñëîò â áåëêå îïðåäåëÿåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ íóêëåîòèäîâ â êîäèðóþùåì ýòîò áåëîê ãåíå (ôðàãìåíòå ÄÍÊ). Ñëåäîâàòåëüíî, çíàÿ ðàññòàíîâêó íóêëåîòèäîâ â ýòîì ãåíå è ãåíåòè÷åñêèé êîä, ìîæíî áåçîøèáî÷íî ïðåäñêàçàòü, â êàêîì ïîðÿäêå ðàñïîëàãàþòñÿ àìèíîêèñëîòû â ïîëèïåïòèäíîé öåïè áåëêà. Íàðÿäó ñ óñïåõàìè â ñòðóêòóðíîì àíàëèçå áåëêîâ çíà÷èòåëüíûå ðåçóëüòàòû áûëè äîñòèãíóòû â èçó÷åíèè èõ ïðîñòðàíñòâåííîé îðãàíèçàöèè, ìåõàíèçìîâ îáðàçîâàíèÿ è äåéñòâèÿ íàäìîëåêóëÿðíûõ êîìïëåêñîâ, â òîì ÷èñëå ðèáîñîìè äðóãèõ êëåòî÷íûõ îðãàíåëë, õðîìàòèíà, âèðóñîâ è ò. ä.

Ñòðîåíèå áåëêîâ

Ïðàêòè÷åñêè âñå áåëêè ïîñòðîåíû èç 20 a-àìèíîêèñëîò, ïðèíàäëåæàùèõ ê L-ðÿäó, è îäèíàêîâûõ ïðàêòè÷åñêè ó âñåõ îðãàíèçìîâ. Àìèíîêèñëîòû â áåëêàõ ñîåäèíåíû ìåæäó ñîáîé ïåïòèäíîé ñâÿçüþ—СО—NH—, êîòîðàÿ îáðàçóåòñÿ êàðáîêñèëüíîé è a-àìèíîãðóïïîé ñîñåäíèõ àìèíîêèñëîòíûõ îñòàòêîâ: äâå àìèíîêèñëîòû îáðàçóþò äèïåïòèä, â êîòîðîì îñòàþòñÿ ñâîáîäíûìè êîíöåâûå êàðáîêñèëüíàÿ (—СООН) è àìèíîãðóïïà (H2N—), ê êîòîðûì ìîãóò ïðèñîåäèíÿòüñÿ íîâûå àìèíîêèñëîòû, îáðàçóÿ ïîëèïåïòèäíóþ öåïü.

Ó÷àñòîê öåïè, íà êîòîðîì íàõîäèòñÿ êîíöåâàÿ Í2N-ãðóïïà, íàçûâàþò N-êîíöåâûì, à ïðîòèâîïîëîæíûé åìó — Ñ-êîíöåâûì. Îãðîìíîå ðàçíîîáðàçèå áåëêîâ îïðåäåëÿåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ ðàñïîëîæåíèÿ è êîëè÷åñòâîì âõîäÿùèõ â íèõ àìèíîêèñëîòíûõ îñòàòêîâ. Õîòÿ ÷åòêîãî ðàçãðàíè÷åíèÿ íå ñóùåñòâóåò, êîðîòêèå öåïè ïðèíÿòî íàçûâàòü ïåïòèäàìè èëè îëèãîïåïòèäàìè (îò îëèãî...), à ïîä ïîëèïåïòèäàìè (áåëêàìè) ïîíèìàþò îáû÷íî öåïè, ñîñòîÿùèå èç 50 è áîëåå àìèíîêèñëîò. Íàèáîëåå ÷àñòî âñòðå÷àþòñÿ áåëêè, âêëþ÷àþùèå 100-400 àìèíîêèñëîòíûõ îñòàòêîâ, íî èçâåñòíû è òàêèå, ìîëåêóëà êîòîðûõ îáðàçîâàíà 1000 è áîëåå îñòàòêàìè. Áåëêè ìîãóò ñîñòîÿòü èç íåñêîëüêèõ ïîëèïåïòèäíûõ öåïåé.  òàêèõ áåëêàõ êàæäàÿ ïîëèïåïòèäíàÿ öåïü íîñèò íàçâàíèå ñóáúåäèíèöû.

Ïðîñòðàíñòâåííàÿ ñòðóêòóðà áåëêîâ

Ïîëèïåïòèäíàÿ öåïü ñïîñîáíà ñàìîïðîèçâîëüíî ôîðìèðîâàòü è óäåðæèâàòü îñîáóþ ïðîñòðàíñòâåííóþ ñòðóêòóðó. Èñõîäÿ èç ôîðìû áåëêîâûõ ìîëåêóë áåëêè äåëÿò íà ôèáðèëëÿðíûå è ãëîáóëÿðíûå.  ãëîáóëÿðíûõ áåëêàõ îäíà èëè íåñêîëüêî ïîëèïåïòèäíûõ öåïåé ñâåðíóòû â êîìïàêòíóþ ñòðóêòóðó ñôåðè÷åñêîé ôîðìû, èëè ãëîáóëó. Îáû÷íî ýòè áåëêè õîðîøî ðàñòâîðèìû â âîäå. Ê èõ ÷èñëó îòíîñÿòñÿ ïî÷òè âñå ôåðìåíòû, òðàíñïîðòíûå áåëêè êðîâè è ìíîãèå çàïàñíûå áåëêè. Ôèáðèëëÿðíûå áåëêè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé íèòåâèäíûå ìîëåêóëû, ñêðåïëåííûå äðóã ñ äðóãîì ïîïåðå÷íûìè ñâÿçÿìè è îáðàçóþùèå äëèííûå âîëîêíà èëè ñëîèñòûå ñòðóêòóðû. Îíè îáëàäàþò âûñîêîé ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòüþ, íåðàñòâîðèìû â âîäå è âûïîëíÿþò ãëàâíûì îáðàçîì ñòðóêòóðíûå è çàùèòíûå ôóíêöèè. Òèïè÷íûìè ïðåäñòàâèòåëÿìè òàêèõ áåëêîâ ÿâëÿþòñÿ êåðàòèíû âîëîñ è øåðñòè, ôèáðîèí øåëêà, êîëëàãåí ñóõîæèëèé.

Страницы: 1, 2